本文關鍵詞：多場環(huán)境作用巖石蠕變特性試驗及力學模型研究　出處：《大連海事大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著我國大型巖體工程的不斷涌現(xiàn),如三峽大壩、錦屏水電站、地鐵隧道等,巖體工程的長期穩(wěn)定性越來越受到人們的關注,多場環(huán)境影響下的巖石蠕變力學特性問題日益突出。開展該方面的研究對于準確預測和有效控制巖體工程的長期安全穩(wěn)定有重要的理論意義。基于此,本文在前人的研究基礎上,采用室內力學試驗、理論分析和模型開發(fā)相結合的方法,研究了化學腐蝕、低溫和滲流對巖石蠕變力學特性的影響規(guī)律。根據(jù)試驗結果建立了低溫條件下THB非線性蠕變模型、化學腐蝕環(huán)境下非線性改進H|M-CD蠕變模型和滲流-蠕變耦合ZNS模型,并通過FLAC3D實現(xiàn)程序開發(fā)。以大連地鐵和東港巖土路基為工程背景,應用本文提出的理論模型進行數(shù)值計算分析。具體的研究內容如下：(1)從宏細觀和化學損傷的角度出發(fā),以大連地鐵板巖為研究對象,開展不同水化學溶液(HCl、NaOH、NaCl)的腐蝕試驗。探討板巖的水化學腐蝕機制,對比分析了不同溶液下板巖的變形、強度特性和試件破裂形態(tài)變化規(guī)律�；谒瘜W損傷與縱波波速的經(jīng)驗公式引入水化學損傷變量,進行多場耦合有限元程序的巖石彈塑性應力-化學-損傷(MCD)計算模擬驗證。開展了NaCl溶液腐蝕蠕變試驗,揭示了不同浸泡時間板巖試件腐蝕特性。分析了不同腐蝕條件下試件各個蠕變階段的變化規(guī)律和特征�？偨Y了長期強度、蠕變速率、彈性模量隨浸泡時間的變化規(guī)律。最后基于試驗結果,提出了考慮化學損傷的5元件非線性黏彈塑性蠕變模型(H|M-CD模型),并利用1stOpt優(yōu)化軟件對模型參數(shù)進行辨識。(2)為了研究低溫環(huán)境下的巖石蠕變特性,改進了一套可以開展低溫條件巖石三軸蠕變的試驗裝置。開展了低溫環(huán)境下(T0℃)含水類巖石的力學特性試驗研究,對不同溫度、不同含水率的類巖石試件蠕變規(guī)律進行對比分析,揭示了含水狀態(tài)對低溫環(huán)境下類巖石蠕變過程影響規(guī)律的機理。引入損傷變量,基于Burgers模型建立了一種適用于低溫條件下不同含水狀態(tài)的THB (Thermo-hydro Burgers)蠕變損傷本構模型,并通過試驗數(shù)據(jù)擬合了損傷變量和蠕變參數(shù)。基于電阻率與蠕變的響應規(guī)律,發(fā)明了一種采用電阻率反映低溫巖石三軸蠕變各階段的方法。開展了凍融循環(huán)次數(shù)與化學腐蝕耦合影響規(guī)律試驗研究,對比分析了石英砂巖和石英巖凍融-腐蝕前后的表面微觀顯微圖像變化規(guī)律,揭示了不同條件作用下巖石的蠕變力學特性變化規(guī)律。(3)針對裂隙滲流的問題,首先通過自制的環(huán)向滲流耦合裝置開展了不同接觸狀態(tài)的環(huán)向單裂隙滲流試驗,對比分析了其滲流變化規(guī)律；然后,開展了板巖貫通裂隙受水化學溶液(NaCl、HCl、NaOH)腐蝕的滲透特性試驗研究。通過對巖樣SEM掃描和浸泡溶液pH值的對比,分析了水-巖作用對裂隙板巖微細觀結構的影響機制,給出化學反應方程。通過不同溶液、不同浸泡時間裂隙試件的滲透性試驗,宏觀上獲得了腐蝕環(huán)境下裂隙板巖的滲透性變化規(guī)律。基于試驗數(shù)據(jù)建立不同溶液中板巖的滲透系數(shù)與浸泡時間的非線性關系,并引入裂隙滲流計算理論公式,采用FLAC3D的fish語言編寫板巖裂隙化學-滲流-應力耦合計算程序來驗證試驗結果。(4)開展了加卸載循環(huán)擾動的滲流-蠕變耦合試驗,揭示了蠕變過程中的滲流特性和蠕變規(guī)律,分析了巖石加卸載過程中的蠕變、滲透性變化規(guī)律和滲流-蠕變耦合機理,得到壓密階段、裂紋擴展階段和裂紋貫通階段巖石體積應變的發(fā)展規(guī)律,總結了滲透率與體積應變之間的關系。引入單元安全度ZSI(Zone State Index)的概念,通過ZSI判斷蠕變各階段的臨界值,建立ZSI與滲透率的關系,基于西原模型,開發(fā)了非線性蠕變-滲流耦合模型ZNS(ZSI Nishihara Seepage)。經(jīng)對比,數(shù)值計算結果與試驗結果吻合較好。(5)基于以上提出的滲流-蠕變耦合ZNS模型,對大連地鐵隧道202標段下穿鐵路橋盾構施工進行數(shù)值模擬。分析了開挖面位于不同位置時的ZSI值和滲透系數(shù)的變化規(guī)律,實現(xiàn)了巖體破壞程度的量化評價和滲透系數(shù)實時呈現(xiàn)；利用以上提出的適用于低溫環(huán)境的THB非線性蠕變模型,對東港巖土路基的冬季施工過程進行計算。模擬了施加碎石樁對路基蠕變沉降的影響規(guī)律,計算了路基在不同溫度不同含水條件下的蠕變沉降,給出了針對冰凍期施工的處置意見。
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU45
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本文編號：1327988